生物炭对土壤理化和微生物性质影响

导读

生物炭是生物质原料限氧热解制备的高度芳香化和富含碳元素的黑色固体物质。

生物炭所具有的独特的性质使生物炭在土壤改良方面具有很大的潜力，已成为当前农业科学领域的研究热点。但是，生物炭的性质受原料和热解温度的影响。生物炭性质和土壤环境条件的差异可在较大程度上影响生物炭改良土壤的效果。因此，必须根据土壤的主要障碍因子，选择合适的生物炭施加方案，以期得到较好的土壤改良效果。

本文综述了近年来国内外有关生物炭对土壤理化和微生物性质影响的研究进展，探讨了生物炭改变土壤性质的机制和影响因素，阐述了生物炭研究和应用中存在的一些问题，从而为生物炭在农业领域的应用提供一定的思路。

1.前言

生物炭是生物质原料限氧热解制备的黑色固体物质。制备生物炭的生物质原料来源广泛，包括：农作物残体、林业废弃物、禽畜粪便和骨骼、污泥和固体垃圾等有机废弃物料。制备生物炭的热解方法分为：快速、慢速、闪速、湿法、微波加热热解等，它们在升温快慢、热解温度和时间、最终产品分布上存在差异。慢速热解的特点是：较低的热解温度(＜700℃)和较长的热解时间，可优化热解条件增加生物炭的产率，是生产生物炭的常用方法。

通常，生物炭容重小、多孔、比表面积大，呈碱性，富含碳元素并含一定量矿质养分，具有优良的吸附特性和较强的抵抗土壤微生物分解的稳定性。这些性质使生物炭可协调土壤空气和水分的关系，降低土壤酸度，提高土壤养分含量并减少养分淋失，在较长时间尺度上增加土壤生产力和可持续性，位于亚马逊盆地的黑色土壤“TerraPreta”就是例证。近年来，国内外很多学者在生物炭的制备、性质、生物炭在农业和生态环境领域的应用等方向做了大量的研究。生物炭的性质受生物质原料和热解温度的影响较大。比如随着热解温度升高，生物炭的孔隙度、表面积、灰分含量、pH、芳香度均增加，而易分解有机碳含量降低。由于生物炭性质、施加量、土壤环境条件的差异，有关生物炭对土壤性质影响的研究结果并不一致。因此，国内外学者对大规模应用生物炭还存在疑虑。

本文结合国内外相关的最新研究进展，主要从生物炭性质和生物炭对土壤理化、微生物性质影响等方面作了总结，以期对生物炭改良土壤的研究提供借鉴意义。

2.生物炭的性质

生物炭本身的性质是将生物炭应用于土壤改良的理论依据。生物质原料和热解温度可调控生物炭的结构和性质，进而对生物炭改良土壤的效果产生重要影响。

2.1生物炭的孔隙度、表面积、持水性

生物炭的孔隙度决定了生物炭的表面积大小。随着热解温度升高，生物炭中热挥发性物质减少，孔隙直径和孔隙度增大，生物炭表面积增加。

通常低温热解制备的生物炭较高温热解制备的生物炭具有更强的持水性。原因在于随着热解温度升高，一方面生物炭芳香化程度加深，疏水性增强；另一方面生物炭极性官能团数量减少，亲水性减弱。

2.2生物炭的pH

生物炭的pH在4—12之间，一般呈碱性。生物炭灰分中含有的钾、钠、钙、镁等矿质元素的氧化物或碳酸盐溶于水后呈碱性。通常生物炭的灰分含量越高，生物炭的pH也越大。比如，相同热解条件下，禽畜粪便生物炭灰分含量较高，pH也较高；木本植物生物炭灰分含量较低，pH也较低；草本植物生物炭的pH和灰分含量介于禽畜粪便和木本植物生物炭之间。生物质原料相同条件下，随着热解温度升高，生物炭pH增加。高温热解生物炭中碱性物质主要以碳酸盐形态存在，且随热解温度升高，碳酸盐总量增加；低温热解生物炭中碱性物质主要是生物炭含有的羧基和羟基等含氧官能团，它们带负电荷并能结合土壤溶液中的氢离子。

2.3生物炭的阳离子交换量(CEC)

热解温度过高或过低都会降低生物炭CEC。生物炭含有的羟基和羧基等含氧官能团数量随热解温度变化趋势与CEC基本一致。热解温度较低时，生物炭的含氧官能团被形成和保留；热解温度过高时，含氧官能团被高温破坏。生物炭的CEC与表征含氧官能团数量的氧碳比之间也存在显著正相关。这些含氧官能团所产生的表面负电荷使生物炭具有较高的CEC。动物来源的原料或发酵后的原料制备的生物炭分别比植物来源的原料或未发酵的原料制备的生物炭具有更高的CEC。

2.4生物炭的元素组成

生物炭富含碳元素，生物炭的灰分中含有大量植物所需的营养元素，其中水溶性营养元素能直接提高土壤中有效态营养元素含量。生物质原料对生物炭中元素组成和含量有很大影响。比如，禽畜粪便中多种矿质元素含量较高、碳含量较低，木本植物中矿质元素含量较低、碳含量较高，草本植物的矿质和碳元素含量介于禽畜粪便和木本植物之间。这与以这三种原料制备的生物炭中矿质和碳元素含量高低顺序相同。有的生物炭中某几种元素含量较高：比如骨炭中磷和钙元素含量较高，污泥生物炭中钙和某些重金属元素含量较高。随热解温度升高，生物炭中碳和矿质元素富集，而氢和氧元素含量降低。氮素较特殊：随热解温度升高，木材和秸秆生物炭中氮素含量呈先增加后下降的趋势；而禽畜粪便生物炭中氮素含量逐渐下降。且生物炭中可被利用的有效氮含量很低。

2.5生物炭的土壤生物学稳定性

由于具有高度芳香化结构，生物炭具有比其生物质原料高得多的生物学稳定性，被认为是稳定的炭储库。但微生物仍可将来源于生物炭易分解有机碳中的碳元素同化到自身结构中。易分解有机碳包括未完全碳化的生物质和热解过程中形成的挥发分在冷却过程中凝聚到炭颗粒表面的物质，既包括各种简单的脂肪酸、醇类、酚类、酯类化合物，又可能含有类似黄腐酸和胡敏酸的组分。其它条件相同时，易分解有机碳含量较高的生物炭在土壤中稳定性差，分解速率快。易分解有机碳含量较高的生物炭包括新制备的生物炭(相对于老化后的生物炭)、低温热解制备的生物炭(相对于高温热解生物炭)、禽畜粪便生物炭(相对于木本植物生物炭)。易分解有机碳在前2—60d分解速率较快，期间生物炭中2—20%有机碳被分解；此后，生物炭的分解速率迅速降低至几乎为零。

3.生物炭对土壤理化性质的影响

由于生物炭本身具有一系列独特的性质，施加生物炭必然改变土壤理化性质。普遍认为施加生物炭可改善土壤持水性和土壤结构，中和酸性土壤，增加土壤对养分的保持能力等。生物炭改良土壤理化性质的效果受到生物炭性质、施加量、土壤环境条件、生物炭与土壤反应的时间尺度等诸多因素的影响。

3.1生物炭对土壤持水性的影响

生物炭本身具有的亲水性以及生物炭增加土壤总孔隙度、毛管孔隙度、通气孔隙度，导致土壤水分的渗滤模式、停留时间、流动路径发生一定程度的改变，在重力排水平衡上可以保持更多的水，有更大的水截留潜力和表面积，水分扩散率减少，土壤的持水性增加。由于砂土对水分的保蓄能力较弱，生物炭增加砂土持水性的效果较明显。但这种增加效应是有限的：生物炭仅在一定施加量范围内能够增加砂土持水性，而较高的施加量反而会导致土壤水分渗透率增加和土壤持水性下降。这种现象在施加疏水性较强的生物炭的条件下表现的更明显。因此，合理施用生物炭可以有效提高干旱地区砂土的持水能力，这有助于提高作物对土壤水分和水溶性养分的利用效率。

3.2生物炭对土壤团聚体的影响

培育或田间试验均报道过生物炭改良土壤团聚体结构的研究。在团聚体形成之初，生物炭的表面积和氧碳比等性质以及醌基等官能团影响生物炭与土壤有机无机复合体的结合过程。微生物分泌的有机胶结剂、菌丝对土壤颗粒缠绕、微生物对有机碳矿化等过程对土壤团聚体的形成和稳定有重要的作用。如果生物炭改善土壤微生物性质，将有利于团聚体形成和稳定，从而增加土壤抗破碎能力和水稳定性。比如，与对照相比，黏壤土中施竹炭和木炭培育372d后，土壤微生物生物量和β-葡糖苷酶活性显著增加，同时大团聚体含量也显著增加。

生物炭对土壤团聚体结构改良效果的影响因素包括：1)生物炭性质。粒径较粗的生物炭限制土壤、微生物、生物炭三者之间的相互作用，减缓大团聚体的形成过程。而易分解有机碳含量较多的生物炭由于为微生物提供了易分解的碳源，刺激了微生物生长，因而能较好的改良有机质含量较低和交换态阳离子含量较低土壤的团聚体结构。2)土壤环境条件。质地粘重的土壤中施加生物炭通常可以增加大团聚体含量并降低微团聚体含量。但是，生物炭对有机质含量较低的粗质地土壤团聚体改良效果较差。就有机质含量较低的粗质地土壤而言，应考虑将生物炭与其它有机物料配施以更好地促进团聚体形成和稳定。3)生物炭施加量及时间尺度。生物炭施加量较低或土壤与生物炭反应时间较短时，团聚体粒级分布和稳定性的变化较对照常不明显。

3.3生物炭对土壤pH的影响

铵态氮肥的大量施用和酸雨沉降导致农业土壤pH显著降低。土壤酸化不仅造成土壤肥力质量降低，还能增强重金属元素的活性。生物炭对有机质含量较低的酸性土pH增加效果明显。原因在于：1)生物炭本身的pH较高。2)生物炭中带负电荷的羧基和羟基等含氧官能团，可以结合土壤溶液中的氢离子，降低氢离子浓度。3)来源于生物炭的碳酸盐和重碳酸盐也能结合土壤溶液中的氢离子。

随着生物炭在土壤中反应时间的增加，生物炭的pH呈下降的趋势。比如，在粉壤土中室内培育100天后，松木和玉米青储饲料400和600℃生物炭pH较新制备时降低了2.3—3.6。在壤土中田间老化3年后，坚果壳和木本植物500—550℃生物炭pH较新制备时降低了1.0—4.4。这说明，生物炭在短期内有利于缓解农业土壤酸化，但是，生物炭对酸性土壤pH值的持续调控效应还存在争议，需要长期定位试验的进一步跟踪监测。

3.4生物炭对土壤CEC的影响

生物炭增加土壤CEC的原因在于：1)生物炭本身的CEC较大。2)生物炭增加土壤pH，土壤中可变负电荷数量随之增加，这也有助于增加土壤CEC。比如，高温(>600℃)热解生物炭的CEC较低，但由于具有较大的比表面积和较高的pH，施加该生物炭后，土壤CEC仍显著增加。土壤CEC的增加意味着土壤养分保持能力的增加。相反地，木本植物500℃生物炭，施加量3和6%(w/w)，施入砂土培育91d，土壤CEC较对照无显著变化。这可能是生物炭的pH和CEC均较低所致。

生物炭增加土壤CEC的效果与土壤环境条件有关。相对于CEC较高的碱性土，生物炭能更显著地增加CEC较低的酸性土的CEC。生物炭在土壤中持续发生的缓慢氧化反应(也称为生物炭在土壤中的老化过程)能够通过生物炭表面含氧官能团的不断生成而提高土壤CEC。

3.5生物炭对土壤吸持低分子量物质行为的影响

“Terra Preta”作为生物炭长期田间试验的范例表明：若将生物炭的合理施用作为当地农业制度中的一环，生物炭能永久性地增加土壤吸持养分和低分子量有机物的能力。由于具有较大的表面积和孔隙度，较多的来源于羟基和羧基等官能团的负电荷，生物炭不仅有效吸持各种盐基阳离子和NO3-、PO43-/HPO42-/H2PO4-，还对低分子量可溶性有机物(DOC)有较强的吸附能力。吸附能力一方面与生物炭的pH、表面积、氧碳比、CEC等性质及土壤有机质含量和质地等环境条件有关，另一方面与生物炭引起的土壤颗粒电荷和化学性质的改变有关，可通过人为选择原料和热解条件在一定程度上加以控制。在老化过程中，生物炭表面活性位点不可逆地与土壤中某些物质结合，导致生物炭吸附能力降低。因而，通过新制备生物炭的性质仅可在短期内预测生物炭的吸附特征，但在较长时间尺度的田间环境下，生物炭的吸持能力会发生难以预期的改变。

生物炭对重金属和疏水性有机污染物也有较强吸附能力，并降低土壤中污染物的生物有效性。生物炭对重金属阳离子的吸附作用由弱到强依次为：静电吸附、专性吸附、沉淀作用；生物炭对有机污染物的吸附可用二元模式描述：动力学过程较快、非竞争的分配吸附和动力学过程较慢、竞争的表面吸附。生物炭还能吸附导致植物发生连作障碍的化感物质。

4.生物炭对土壤微生物性质的影响

生物炭与土壤微生物之间存在复杂的相互作用：一方面，如上所述，生物炭可通过改善土壤理化性质，间接增加微生物活性。另一方面，生物炭具有的易分解有机碳组分、良好的孔隙结构、较强的吸持养分和水分的能力，使生物炭成为微生物优良的栖息地。这些相互作用使得生物炭施入农田后极有可能对土壤微生物生物量、微生物群落结构、酶活性等土壤微生物性质产生调控作用，从而影响微生物驱动的养分循环和养分形态转化过程，最终改变土壤肥力质量和功能。

4.1关于生物炭成为土壤微生物良好栖息地的原因

关于生物炭成为土壤微生物良好栖息地的原因，存在不同的假设。有研究报道生物炭的孔隙结构为细菌、真菌、原生动物等提供了良好的庇护场所，使它们免遭天敌捕食或周期性干旱的影响。与之不同的看法是：生物炭平均孔隙大小(纳米级)远小于一般土壤微生物适宜生存的孔隙大小(微米级)，由于受空间制约，土壤微生物无法定殖于生物炭孔隙中。持这种看法的学者认为生物炭成为微生物栖息地的原因在于：生物炭可有效吸附DOC、速效氮、盐基离子等小分子物质；且生物炭含有的养分可通过溶解和解吸而释放，这为微生物提供了丰富的营养物质。

4.2生物炭对土壤微生物生物量的影响

通常，易分解有机碳含量较高的生物炭对土壤微生物生物量的直接影响(微生物直接利用生物炭含有的易分解有机碳和营养元素)和间接影响(生物炭通过改变土壤性质间接影响微生物)均较大，能在短期内有效增加微生物生物量；而易分解有机碳含量较低的生物炭则主要通过间接作用影响微生物生物量，在短期内增加微生物生物量的效果不明显。若生物炭能消减土壤障碍因子和提升地力，往往增加微生物生物量。

但如果生物炭的碳氮比过大、易分解有机碳含量过高、土壤有效氮含量相对不足时，生物炭中大量易分解有机碳产生的激发效应使土壤微生物对氮素产生强烈的生物固定，这将导致作物因缺氮而生长受阻，最终对土壤微生物生物量产生不利影响。如果生物炭优先将土壤溶液中的水分、矿质养分、DOC吸持于生物炭的微孔中，且难以释放，微孔的平均孔径(<50nm)小于大部分微生物，会阻碍营养物质与微生物的接触，在短期内抑制微生物生长。比如木本植物高温(≥600℃)制备的且养分含量较低的生物炭对有机质含量较低的粗质地土壤微生物生物量的影响常是负面的。有机质含量较高的细质地土壤由于具有良好的缓冲能力，可在一定程度上缓解这种生物炭对微生物的负面效果。向土壤中同时施加堆肥或粪肥等有机物料，增加微生物可利用性底物，可缓解这种抑制作用。另外，生物炭在热解过程中会残留多环芳烃和二恶英等有毒物质，某些生物炭中重金属元素含量较高，都会对微生物产生潜在的毒性。

4.3生物炭对土壤微生物群落结构的影响

生物炭可增加革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、放线菌的生物量。不同微生物类群适宜生长的生境有所不同，在特定土壤环境中施生物炭往往优先增加某一类或几类微生物生物量。生物炭对土壤微生物类群的影响与土壤环境条件有关，各研究结论不一致。有研究表明土壤中施加生物炭后细菌群落结构的变化较真菌明显，生物炭可降低真菌与细菌生物量比值。原因在于：1)生物炭调节土壤pH朝更有利于细菌生长的环境转变。2)相对于细菌，真菌更难以在生物炭(尤其是裂缝含量较少的生物炭)中定殖。然而生物炭还可通过改变土壤碳氮比的方式改变真菌与细菌生物量比值，这又与生物炭的碳氮比和施加量有关。如果土壤碳氮比成为影响土壤微生物生长的主要因素，施加生物炭还可能增加真菌与细菌生物量的比值。比如Muhammad在砂壤土中分别添加不同原料制备的生物炭培育90d后发现：土壤真菌与细菌生物量比值跟生物炭施加量、DOC与总氮比值、碳氮比均呈显著正相关。对于养分贫瘠的土壤，相对于革兰氏阴性菌，生物炭促进革兰氏阳性菌生长的效果更好。原因在于：生物炭中细菌可利用的易分解有机碳含量相对较少，无法满足革兰氏阴性菌生长所需，来源于生物炭的有机碳优先被革兰氏阳性菌利用。

生物炭对微生物群落结构的影响还与时间尺度有关。有学者认为微生物需要一些时间来适应施加生物炭(尤其是易分解有机碳含量较低的生物炭)后改变的土壤环境。施生物炭后较短时间内，革兰氏阳性菌和阴性菌、真菌、放线菌生物量均低于对照；而在后期，生物炭较对照增加了这些微生物类群的生物量。随着生物炭在土壤中老化，生物炭pH下降，从而逐渐成为有利于真菌生长的环境。此外，微生物群落结构对生物炭的响应具有“浓度依赖型”的特征。随生物炭施加量增加，土壤微生物群落结构与对照的差异越明显。

4.4生物炭对土壤酶活性和微生物信号分子的影响

土壤微生物通过分泌酶来促进有机质的分解和养分的循环。生物炭对土壤酶活性的改变受生物炭、酶、酶作用底物三者之间相互作用的影响，以往文献报道并无统一结论。生物炭活性位点可吸附或解吸酶及其作用底物。吸附或解吸特征与生物炭孔隙度和表面积有关。一方面，生物炭对酶及其作用底物的吸附促进酶促反应的进行。另一方面，具有较大孔隙度和表面积的生物炭吸附胞外酶及其作用底物的能力较强，能阻碍底物与酶催化活性位点相结合并降低酶活性。Ameloot通过117d的培育试验发现：施加700℃生物炭(表面积和孔隙度较大)导致土壤脱氢酶活性较对照下降了47%；而施加350℃生物炭(表面积和孔隙度较小)后脱氢酶活性较对照增加了73%。

土壤微生物通过分泌信号分子使得相互之间存在一种识别和交流的通讯系统。随着微生物生物量增加，微生物分泌的信号分子浓度随之增加，当浓度超过阈值时，反馈作用改变微生物的生理性状，抑制微生物的生长，从而保持微生物之间的协调。在琼脂培养基中，木本植物生物炭可以阻碍信号分子介导的革兰氏阴性菌之间的交流；与300℃生物炭相比，施加700℃生物炭后这种抑制作用增大了10多倍。这可能是生物炭对信号分子的吸附导致的；且随热解温度升高，生物炭吸附能力增强。然而，生物炭在土壤中会与多种有机、无机化合物发生相互作用。生物炭对微生物信号分子的吸附能力取决于生物炭空活性吸附位点的多少。Masiello的结果暗示：高温热解生物炭可能在一定程度上阻碍土壤微生物之间的信息交流，且阻碍作用在有机质含量较低的土壤中表现的更明显。

5.问题与展望

将有机废弃物料通过热解炭化技术制备生物炭并作为土壤改良剂施入农田，是改善耕作土壤理化和微生物学性质，增加土壤生产力的一种新思路。但是，对于我国广泛的农业问题来说，不仅要有效发挥生物炭在土壤改良方面的巨大潜力，还要避免一系列不利影响。未来应该从以下几个方面入手解决：

5.1明确生物炭在不同土壤环境条件下的适用性

需要制定一个统一的生产生物炭的标准，明确不同原料在不同热解条件下制备的生物炭的性质，预测生物炭在典型土壤环境中的效应。对特定的土壤环境条件，需要综合考虑生物质原料直接还田与生物质制成生物炭还田的效果。施加某种生物炭不可能改良所有土壤性质指标，而且生物炭在不同土壤环境条件下的农用效应差异较大。所以在应用生物炭时，应根据所要达到的目的和成本，针对特定土壤主要障碍因子和区域环境条件，选择合适的生物炭种类和施加量。

5.2通过不同尺度试验明确生物炭在土壤环境中的生物地球化学行为

对于土柱模拟试验、培育试验和盆栽试验，通常将生物炭磨碎过2mm或更小孔径的筛子，再与土壤混匀，通过精细的试验研究生物炭在土壤改良过程中发生的化学和生物反应机制。对于田间试验，生物炭被撒施到土壤表面，通过耕作将生物炭与表层土混合。与实验室水平的试验相比，田间试验在气候、施肥、耕作措施等方面存在较大差异，这些差异足以在一定程度上掩饰生物炭对土壤性质影响的真实效果。将实验室机理分析与田间试验相结合，既能明确生物炭影响土壤性质的机制又能与生产实际相近。

随着生物炭与土壤接触时间的增加，生物炭在土壤中发生结构和性质上的变化，生物炭与土壤之间逐渐建立化学交换和微生物活性的平衡。因为生物炭改良土壤性质的长期效应有别于短期效应，所以需要通过长期定位试验，在不同时间尺度下，跟踪研究生物炭在土壤中的各种生物地球化学行为。

5.3识别应用生物炭所带来的潜在风险

由于具有高度稳定性，生物炭可以在土壤中长期存在，因而需要对有机废弃物原料和生物炭进行必要的检测和筛选，加强生物炭的生态毒理学研究，以避免施加生物炭带来的一系列潜在的生态风险：比如施加生物炭导致pH值和氨挥发较大增加、土壤碳氮比失调和有效氮含量降低、盐基离子含量过高、生物炭中含有的有毒物质的释放等。这些负面效果会对土壤生物区系产生不利影响，甚至潜在威胁农业可持续发展。

5.4加强生物炭与各种生物区系之间的相互作用

大型土壤动物的数量和活性对土壤性质和生物炭稳定性有很大影响。但目前除蚯蚓外，施加生物炭对其它种类大型土壤动物影响的研究较少。

5.5降低生产生物炭的成本、实现副产品循环利用

制备生物炭的成本较高是生物炭大规模产业化推广的很大障碍。因此，一方面需要探索生产生物炭的新技术和设备，研究大量收集有机废弃物原料的合理方案，提高生产效率。另一方面，充分开发生物炭及其副产品的潜在应用价值。比如除直接用作土壤改良剂提高农业土壤生产力外，还需以生物炭为基础材料，多元化开发，生产炭基缓释肥、微生物肥料接种菌载体材料、活性炭、育苗基质等衍生产品。收集制备生物炭过程中产生的木醋液和可燃气等副产品，并将其应用于生活能源和工业原料等领域，提升生物炭的附加价值。

本文来源：《生态科学》2018年01期 

作者：唐行灿，陈金林